ХИМИЧЕСКАЯ технология керамики и огнеупоров

b = П1 – П2 .

lg Р2

Р1

Здесь индексы 1 и 2 относятся к двум выбранным для расчета значениям удельного давления прессования и соответствующим значениям пористости.

По полученным данным оценивают технологические свойства порошков (насыпную плотность, сыпучесть), строят компрессионные кривые процесса, определяют константы для уравнения А.С. Бережного и рекомендуют оптимальное давление прессования для данного пресс-порошка.

3.4. Определение структурно-механических (упруго-вязко-пластических) характеристик керамических пластических масс

Общие сведения

В дисперсных пластических системах с практически неразрушенной структурой, к числу которых относятся глинистые массы для пластического формования, под действием напряжений сдвига возможно развитие трех видов деформаций.

Упругая (мгновенная) деформация εуп происходит в течение долей секунды после внешнего усилия и является полностью обратимой. Этот вид деформации связан с поворотом и изгибом частиц твердой фазы дисперсной системы. После снятия нагрузки упругая деформация полностью и мгновенно исчезает (равновесное состояние достигается со скоростью, близкой к скорости звука в данном теле).

Эластичная (медленная) деформация εэл после приложения внешнего усилия развивается в течение некоторого времени (обычно 3–10 мин) с падающей скоростью. При снятии внешнего усилия она также оказывается вполне обратимой и происходит также замедленно. Этот вид деформации связан с некоторым смещением (скольжением) частичек относительно друг друга без разрыва пространственных связей и какого-либо разрушения структуры.

Пластическая деформация εпл возникает в том случае, когда созданное напряжение превышает некоторую величину, называе-

120

мую предельным напряжением сдвига Рk. Деформация этого вида протекает с постоянной скоростью и является необратимой. В процессе пластической деформации происходит частичное разрушение структуры, но оно не нарастает со временем, т. е. при данном напряжении в системе наблюдается равновесие процессов разрушения и тиксотропного восстановления.

Если приложенные внешние усилия вызывают напряжения Р, лежащие ниже предельного напряжения сдвига Рk, то развиваются только первые два вида деформаций εуп и εэл. Если Р > Рk , то одновременно наблюдаются деформации всех трех видов: εуп, εэл и εпл. Общая деформация равна

ε = εуп + εэл + εпл.

На рис. 43 приведены графики деформаций при следующей последовательности приложения внешних усилий: мгновенное приложение статической нагрузки; выдержка под этой постоянной нагрузкой в течение некоторого времени, превышающего время развития εэл; затем мгновенное снятие нагрузки и выдержка в ненагруженном состоянии. Как видно из приведенных графиков, подобный опыт позволяет определить значения εуп и εэл при Р < Рk, а в случае Р > Рk – значения εуп, εэл, εпл.

Рис. 43. Кривые «деформация – время» при напряжении сдвига:

1 – Р > Рk; 2 – Р < Рk

В зависимости от соотношения величин указанных деформаций, характеризуемых в сравнимых условиях (Р = 0,2 МПа, τ = = 1000 с), выделяют глинистые массы шести структурномеханических типов, которые удобно представить на тройной диаграмме (рис. 44).

121

По данным исследователей (С. П. Ничипоренко и др.), глины этих типов существенно различаются по своему поведению в процессе формования.

Согласно приведенной на рис. 44 диаграмме можно описать порядок развития деформаций для разных областей:

как значительное развитие медленных эластичных деформаций полностью компенсирует возникающее при формовании напряжение без нарушения сплошности формуемой массы.

В результате аналитического исследования процессов деформации можно получить независимые количественные характеристики упруго-вязко-пластичных свойств пластической массы, основными из которых являются следующие.

Модуль упругости Е1 и модуль эластичности Е2 получают из

Наибольшую пластическую вязкость η1 находят из формулы

122

где Р – прилагаемая нагрузка, Па; а – толщина деформируемого слоя, м; Рk1 – условный статический предел текучести, Па; εm –

суммарная деформация (εэл + εуп); ε′ – во всех случаях означает относительную деформацию, т. е. отношение абсолютной деформации сдвига ε к толщине деформируемого слоя а; (dε/dτ)кон – величина, которую находят по наклону (tgα) конечного участка кривой ε = f(τ); Р – Рk1 – величина действующего напряжения, поддерживающего стационарное пластическое течение.

Проведение анализа

Материалы, посуда и приборы: глина или пластическая масса, вазелин, полиэтиленовая пленка, лабораторные чашки, эксикатор, пластометр Д. М. Толстого, индикатор ИЧ-10 или диодный механотрон 6МХ5С с записывающим устройством, микрометр, секундомер.

Для определения характеристик упруго-вязких свойств керамических масс служит пластомер конструкции Д. М. Толстого с параллельно смещающимися пластинками, которые позволяют создавать чистый сдвиг в тонком пласте исследуемой массы. Схема прибора представлена на рис. 45.

11 – диодный механотрон; б – общий вид рифленых пластинок

123

Основными деталями прибора (рис. 45, а) являются пластинки 1, между которыми помещают образец 2 исследуемой массы, подвеска 3 для размещения груза 4, блок 5, через который перекинута нить 6, соединяющая груз с верхней пластинкой, и индикатор 7, фиксирующий деформацию сдвига образца.

Пластинка обладает следующими размерами: длина 50 мм, ширина 20 мм и толщина 6 мм. Плоскости пластинок, прилегающие к массе, имеют взаимно противоположное рифление, обеспечивающее зацепление с поверхностными слоями массы. Пластинки с образцом помещают в гнездо – держатель 8, установленный на станине 9 прибора. Гнездо снабжено винтом 10 для крепления нижней пластинки, предотвращающим ее отрыв от образца массы. Горизонтальность перемещения верхней пластины и параллельность смещения ее относительно нижней обеспечивают определенным положением блока, с помощью которого можно менять направление действующей силы.

К прибору прилагается комплект подвесных гирь, позволяющих создавать нагрузку от 0,98 до 70 Н.

Индикатор, применяемый для измерения деформации, имеет предел измерения до 10 мм, а цену деления – 2 мкм. В качестве датчика перемещений можно использовать сдвоенный диодный механотрон 11 типа 6МХ5С, сигнал от которого через усилитель, смонтированный в одном блоке с источником питания механотрона, поступает на потенциометр КСП-4. Образец массы толщиной 5–6 мм (±0,1 мм) помещают между пластинками так, чтобы их зубчики полностью погрузились в массу. Излишки массы срезают вровень с краями пластинок. Толщину образца массы вместе с пластинками измеряют микрометром в двух – четырех местах. Ее колебания не должны превышать 0,1 мм. Во избежание потерь влаги во время опыта боковые стороны образца покрывают вазелином и полиэтиленовой пленкой.

Опыт проводят после того, как пластинки с образцами находились в эксикаторе над водой в течение суток. За это время практически завершается тиксотропное упрочнение структуры образца. Затем пластинки с образцами размещают в гнезде прибора. Устанавливают индикатор или механотрон и присоединяют подвеску для груза, приблизительно уравновешивающую давление пружины индикатора. При помощи регулятора приводят в горизонтальное положение нить груза.

124

Для получения кривых «деформация – время» сначала прикладывают первую минимальную нагрузку.

Вес первой нагрузки, необходимый для начала пластического течения, т. е. получения кривой (см. рис. 43) с прямым наклонным участком, выбирают путем серии предварительных кратковременных нагружений небольшими, постепенно нарастающими, грузами (начиная со 100 г). Минимальной первой нагрузкой считается такая, при которой через некоторое время (обычно 5–7 мин) устанавливается постоянная скорость деформации. Далее создают первую нагрузку и одновременно включают секундомер. Деформацию отсчитывают по истечении 1; 5; 10; 15; 20; 30; 45 с; 1; 2; 3; 5; 7; 10; 12 и 15 мин. Затем нагрузку снимают. Обратную деформацию после снятия нагрузки отсчитывают в течение 3– 5 мин через такие же интервалы времени. Последовательные нагружения и снятия нагрузки осуществляют до разрушения образца. Постепенно возрастающие нагрузки с каждым изменением веса груза подбирают так, чтобы получить не менее шести измерений.

При каждом нагружении фиксируют вес груза и начальное положение индикатора с0, при этом переставлять индикатор на нуль не рекомендуется. Затем отмечают показания индикатора сi для каждого отсчета времени τ, а позже, по окончании опыта, подсчиты-

По экспериментальным данным строят кривые зависимости ε = f(τ) для всех нагрузок и графически обрабатывают полученные результаты для расчета структурно-механических характеристик.

Пример построения графика для одной нагрузки и необходимых графических преобразований для расчета приведен на рис. 46.

125

0 250 500 750 τ, с

Рис. 46. Графическое определение деформаций сдвига при испытании глинистых масс

Упругую мгновенную деформацию εуп (ε1) принимают по первому отсчету (через 1 с после нагружения). Для нахождения медленной эластичной деформации εэл (ε2) прямую, соответствующую конечному участку графика, продолжают до пересечения с ординатой, отвечающей общей обратимой деформации, и из полученного отрезка ε3 вычитают значение ε1 (εуп). Отрезок ε4 на оси ординат соответствует остаточной пластической деформации (εпл). Градиент скорости деформации вычисляют по следующей формуле:

Аналогичные графики зависимости ε = f(τ) строят для всех шести нагружений.

После расчета указанных характеристик для всех нагрузок и сведения данных в таблицу строят вспомогательные графики функ-

ций εуп = f1(P); εэл = f2(P); dεпл = f3(P). dτ

Эти графики представляют собой прямые линии, причем первые две проходят через начало координат (при Р = 0 деформация

126

отсутствует), на третьем графике прямая отсекает отрезок, который определяет условный статический предел текучести Рk1. Используя построенные графики, находят величины модуля упругости E, модуля эластичности Eэл, а также наибольшей пластической вязкости ηпл, принимая значения ε и Р как величины катетов полученных прямоугольных треугольников на графиках ε = f(P).

Для установления структурно-механического типа глины или глинистой массы рассчитывают значение относительной деформации при Р = 0,2 МПа и пластической деформации при τ = 1000 с:

Затем вычисляют сумму этих значений εобщ = ε′уп + ε′эл + ε′пл и значение каждой отдельной деформации в доле (или в процентах) этой суммы. Точку, соответствующую определенному отношению отдельных деформаций, наносят на тройную диаграмму и устанавливают структурный тип глинистой массы.

Следует отметить, что при построении вспомогательных графиков и вычислении структурно-механических характеристик нужно пользоваться лишь теми экспериментальными данными, которые относятся еще к практически неразрушенным структурам.

Исходя из определенных структурно-механических характеристик, оценки видов и степени деформации устанавливают структурный тип глиносодержащей массы, оценивают ее формовочные свойства, а также целесообразность ее дополнительной пластификации или отощения.

3.5. Определение влажности, вязкости, текучести и загустеваемости керамических шликеров

Общие сведения

Литье является одним из древнейших и в то же время современным способом формования в технологии керамики, обеспечивающим получение крупногабаритных, тонкостенных, разнотолщинных изделий сложной формы, а также тонких пленок. При литье упрощается технология производства изделий за счет исключения некоторых технологических операций, метод не требует сложного оборудования, возможно использование малопластичных и непластичных масс.

127

Однако процесс литья связан с ручным трудом и необходимостью применения специальных форм, что отражается на производительности. Для этого метода характерны достаточно большие возвратные потери.

Для получения изделий литьем используются текучие суспензии (шликеры), содержащие дисперсионную среду (вода, парафин и др.), а также распределенную в ней во взвешенном состоянии дисперсную фазу. Соотношение между твердой и жидкой фазами в керамических шликерах обычно колеблется от 3 : 7 до 7 : 3.

Существуют три основных способа литья, отличающихся условиями упрочнения отливки:

1.Литье из водных шликеров в пористые формы (гипсовые,

пластмассовые, металлокерамические и др.). При этом используется способность пористых тел впитывать дисперсионную среду. В ходе водоотдачи происходит процесс превращения текучего шликера в пластичную массу. В то же время на поверхности формы образуется уплотненный слой массы, воспроизводящий ее конфигурацию. После подсушивания образовавшийся на стенке формы черепок претерпевает усадку и легко отделяется от формы.

2.Горячее литье под давлением (0,4–0,6 МПа). Суть его за-

ключается в том, что в качестве дисперсионной среды применяется термопластическое органическое вещество (например, парафин), являющееся при комнатной температуре твердым, а при повышенной – жидким. Литье из термопластичных шликеров производится в холодные металлические формы. При этом связка в ходе литья не удаляется, а шликер твердеет в результате теплоотдачи в форму и изменения агрегатного состояния связки.

3.Пленочное литье. В данном случае дисперсионная среда состоит из легкоиспаряющейся жидкости (ацетон, бензин) и растворенной в ней высокополимерной добавки (каучук). Шликер, распределенный тонким слоем на подложке, проходит через испарительную камеру; при этом уплотнение пленки осуществляется за счет испарения растворителя, а оставшееся высокополимерное вещество придает керамической пленке прочность и эластичность.

К литейным шликерам, независимо от их природы и технологии последующего литья, предъявляются общие требования:

– оптимальное количество связующего;

– хорошая текучесть при относительно низком содержании связующего;

128

–агрегативная устойчивость, отсутствие агрегирования, коагулирования и оседания;

–высокая фильтрующая способность;

–отсутствие химического взаимодействия между дисперсионной средой и дисперсной фазой.

Наиболее распространенным способом изготовления керамических изделий из жидкотекучих масс является литье водных шликеров в пористые формы. Керамические водные шликеры могут быть глинистыми и безглинистыми. Они значительно отличаются по своей реологии и методам регулирования литейных свойств.

К основным характеристикам водных шликеров относятся плотность, содержание связки (влажность) по массе и объему, текучесть, вязкость, коэффициент загустеваемости, скорость набора черепка в пористой форме.

Выделяют плотность шликера пикнометрическую и ареометрическую, показатели которых могут различаться вследствие возникновения упругих сил в глиносодержащих дисперсных системах, обусловленных образованием сорбированных комплексов с различными формами связи воды вокруг глинистых частиц.

Влажность шликера – это отношение массы воды к массе дисперсной системы, выраженное в процентах.

Текучесть количественно представляет величину, обратную вязкости. Для характеристики керамических суспензий используют так называемую условную вязкость, выражаемую временем истечения определенного объема шликера через отверстие заданного диаметра.

Относительная вязкость – это соотношение времени истечения шликера ко времени истечения такого же объема воды при оди-

наковых условиях, выраженное в градусах Энглера (°Е). Характеристика вязкости суспензии по времени истечения осно-

вывается на наличии обратной зависимости между вязкостью жидкости и скоростью ее истечения через тонкую трубку (закон Пуазейля):

V= Pπr4 ,

τ8ηl

где V – объем вытекающей жидкости, см3; τ – время истечения, с; Р – давление, вызывающее течение, Па; r – радиус трубки, см; η – вязкость, Па · с; l – длина трубки, см.

Приведенная формула предусматривает расчет вязкости под постоянным давлением. Однако в простейших вискозиметрах это

129